小球藻对培养基中磷的利用与啤酒废水资源化处理

发布时间：2020-04-21 23:04

【摘要】： 磷是培养小球藻(Chlorella)常用Basal培养基中的大量成分,其含量以及磷与碳的比例直接关系到小球藻生长繁殖和代谢产物合成,若供应不足,则会成为生长限制因子,但若供应超量,则是资源浪费并容易引起环境富营养化。利用啤酒废水异养培养小球藻是一种废水资源化处理方式。本论文主要围绕上述问题开展了以下几个方面的研究工作: (1)采用初始葡萄糖浓度为10 g/l的Basal培养基,通过测定小球藻异养培养生长参数,从五株小球藻中,筛选到两株适宜高效异养培养的藻株,分别为Chlorella pyrenoidosa 15-2070和Chlorella vulgaris 15-2075,其最高生物量分别为5.3 g/l、5.2 g/l,最高生物量出现时间均在第3天,最大比生长速率分别为0.98 /d、0.96 /d,糖对细胞转化率分别为0.54 g/g、0.52 g/g。 (2)用筛选到的Chlorella pyrenoidosa 15-2070用于啤酒废水的资源化处理。利用啤酒综合废水100 %替代纯水配制Basal培养基,含10 g/l葡萄糖的培养液中获得5.3 g/l藻细胞,结果表明,啤酒综合废水对小球藻生长没有抑制作用,可以用于小球藻高密度异养培养。采用本文设计的几种啤酒综合废水预处理方式,几种主要污染物最高去除率为:CODcr,92.2 %;BOD5,95.1 %;NO3--N,98.5 %;NH4+-N,92.3 %;这表明异养小球藻能有效净化啤酒综合废水。在本文设计的几种啤酒洗糟废水预处理方式下,啤酒洗糟废水资源化处理过程中小球藻生物量增加量为0.3 - 0.6 g/l,几种主要污染物最高去除率为:CODcr,52.4 %;BOD5,24.7 %;总氮,30.0 %;总磷,9.8 %,这表明异养小球藻能去除啤酒洗糟废水中的部分污染物,但培养工艺有待进一步优化。 (3)在培养基初始PO_4~(3-)-P浓度为0 - 284.5 mg/l之间的变量试验条件下,初始葡萄糖浓度为10 g/l时,异养培养条件下小球藻生长对C/P的需求范围是206/1 - 2060/1,单位生物量的磷吸收量(P/B)的范围是0.8 - 8.1 mg/g;混养培养条件下对C/P的需求范围是103/1 - 2060/1,P/B的范围是0.8 - 16.1 mg/g;初始葡萄糖浓度为40 g/l时,异养和混养培养条件下,小球藻对C/P的需求范围都是206/1 - 2060/1,P/B的范围都是0.8 - 8.1 mg/g;自养培养条件下,小球藻P/B的范围是0.8 - 30.0 mg/g。温度、溶氧、pH、接种量都影响小球藻生长,但不影响P/B。试验结果表明,小球藻能耐受高浓度的磷酸盐且生长良好。Basal培养基中PO_4~(3-)-P浓度为284.5 mg/l,采取自养、混养和异养培养模式培养小球藻时,该值都超出小球藻所能吸收利用的最大磷量;初始葡萄糖浓度为10 g/l时,异养培养小球藻时Basal培养基中的PO_4~(3-)-P超出量最高达62.5倍,培养结束时至少有84.0 %的磷酸盐残留在培养废液中,若直接排放到环境中,将是发生富营养化的隐患。 (4)在培养基初始PO_4~(3-)-P浓度为0 - 284.5 mg/l之间的变量试验条件下培养小球藻,通过离子色谱法检测小球藻细胞内总磷含量,葡萄糖浓度为10 g/l时,异养培养条件下,细胞内总磷含量为1.0 - 10.0 mg/g,小球藻能吸收的最大磷量是满足生长所需最低磷量的10倍;混养培养条件下,细胞内总磷含量为1.0 - 20.0 mg/g,小球藻能吸收的最大磷量是满足生长所需最低磷量的20倍。小球藻细胞中多余的磷一般是以多聚磷的形式储存在细胞内。通过荧光显微镜和透射电镜观察异养培养小球藻多聚磷形成状况,发现多聚磷主要分布在液泡中以及细胞壁和细胞膜的间隙。将含多聚磷的小球藻细胞转移到无磷培养基中继续培养,小球藻可以利用胞内储存的多聚磷继续生长,直到细胞内总磷含量为1.0 mg/g时,生长基本停止。 (5)在培养基初始NO3--N浓度范围为0 - 311.9 mg/l之间的变量试验条件下,初始葡萄糖浓度为10 g/l时,异养培养条件下小球藻生长对C/N的需求范围是20/1 - 44/1,单位生物量的氮吸收量(N/B)的范围是17.6 - 37.1 mg/g;混养培养条件下的C/N范围是18/1 - 44/1,N/B的范围是17.6 - 43.3 mg/g;自养培养条件下,小球藻N/B的范围是17.6 - 75.0 mg/g。Basal培养基中NO3--N浓度为173.3 mg/l,异养和混养培养条件下,减少44.0 %硝酸盐用量可以获得相同的生物量;自养培养模式下,该值超出小球藻所能吸收利用最大氮量(75.0 mg/l)2.3倍。在满足小球藻生长的氮量范围内,小球藻叶绿素(包括叶绿素a和叶绿素b)含量随着硝酸氮含量的增加而增加;但若硝酸氮含量超出小球藻所能吸收利用的最大氮量,叶绿素含量不再增加。在满足小球藻生长的PO_4~(3-)-P浓度范围内,PO_4~(3-)-P含量对小球藻叶绿素含量没有影响。
【图文】：

照片,蓝色荧光,小球藻,荧光显微镜

5-2 不同初始磷浓度，4.6 mg/l (a, 24 h；b, 64 h)，80.0 mg/l (c, 24 h；d，64 h)，和20h )培养小球藻的荧光显微镜照片（DAPI-DNA呈现蓝色荧光，DAPI-polyphosphate呈荧光）. 5-2 Fluorescent microscopic images of C. pyrenoidosa cells grown with 4.6 mg/l (a, 2h), 80.0 mg/l (c, 24 h; d, 64 h), and 20.0 mg/l (e, 64 h) initial phosphorous concentrationsfluorescence shows DAPI-DNA, yellow-green fluorescence shows DAPI-polyphospha同时，通过图 5-2 也可以看到，每个藻细胞的黄绿色荧光并不均匀一致，照片中有的细胞荧光强，有的弱，有的无荧光，这除了受到“DAPI-多聚染色概率的影响外，还可能是由于细胞分裂的不同步性造成的，即在同一胞处于细胞分裂生长周期的不同阶段，，导致同一时间细胞内多聚磷含量是处于不同生长周期的细胞膜结构和特性不一样，导致 DAPI 染色的差

照片,小球藻,透射电镜,多聚

藻中的多聚磷，增加其他多聚磷检测方法是很必要的，透射电镜就是其中较好的检测方法之一。由于多聚磷的电子密度很高，因此多聚磷可以容易的用透射电镜观测到，用含高磷酸盐的培养基培养的小球藻，其体内具有高电子密度的多聚磷，通过透射电镜清晰可见，透射电镜法还可以精确的观察到小球藻胞内多聚磷的分布情况。取 4.2.8 发酵罐异养培养平稳期 64 h 的小球藻用于透射电镜观测多聚磷。在培养基初始磷酸盐含量为 4.6 mg /l 时，在小球藻细胞内没有观测到多聚磷（图 5-3 a）。培养基中磷酸盐为 80.0 mg/l 时，在小球藻细胞内观测到很多分散的小多聚磷体，这些多聚磷大都分布在小球藻细胞液泡中，细胞壁和细胞膜之间间隙（图 5-3 b）。Nishikawa 等观察到 Chlamydomonas acidophila 的细胞膜上存在多聚磷[113]；Mullan等观察到多聚磷大都分布在 Burkholderia cepacia 细胞的液泡中，以及细胞壁和细胞膜之间间隙[101]；Sianoudis 等发现多聚磷位于 Chlorella fusca 的细胞膜上[207]；Ruiz和 Komine 等观察到多聚磷存在 Chlamydomonas reinhardtii 的液泡中[122, 208]。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：X797

【引证文献】